基于DInSAR技术的煤矿地面沉降监测应用研究

杨思剑

（晋能控股煤业集团地煤安平煤业有限公司，山西 朔州 036900）

在我国，地面沉降的主要诱导原因是开采挖掘矿产资源引起的。据统计，到2009年，全国矿井开采量中包含的沉陷土地占有59万km2，经过煤炭开采量换算，计算得到开采1万t煤可致使土地的沉陷面积为0.19 km2，我国每年在煤炭挖掘中引起的新增沉陷土地大约有5.9万km2[1-2]。房屋、路面、基础工程设施等都会因地面沉降出现不同程度的损毁，此问题进而影响到居民群众的正常生活，因此，实时监测和预判整个矿区的地面沉降问题是目前矿区安全生产的重中之重。近年来，基于差分干涉方法高速发展的合成孔径雷达技术（D-InSAR技术）已成为监控地面沉降的主流技术手段，效果明显，其可针对多空间全面覆盖监测，可实现全流程自动化，并保证高精度测量，在采矿地质安全监测领域实现了大规模应用。

1 D-InSAR技术的发展

基于InSAR技术的成熟衍化发展了D-InSAR技术，该技术因其可适应各种天气情况，并在极端情况下具有高分辨率和高精度，因此受到了全球地质领域专家学者以及业界的追捧，利用其技术改善了我国高端精密测量仪器以及卫星定位图像识别精度失准的问题，进一步帮助了我国对能源矿产的安全勘探以及对地表地质环境的监测研究，推动了地质行业、仪表仪器测量领域以及采矿领域的发展[3]。D-InSAR技术的工作原理是基于差分干涉测量方法，调用相位雷达对目标监控测试区间进行全方位观察记录，从而得到该区域的地表变形信息。近年来，主流研究应用的差分干涉法包括两轨法、三轨法以及四轨法。其中，两轨法首先会建立目标地区的数字高程模型，然后使用两个雷达进行扫描拍摄该区域地表，将拍摄的地表图像信息组合为一组干涉对，由其自动获得含有地表数据的干涉图，进一步将模型与干涉图进行比较，通过目标地区的外围数字高程模型开始反推地形的相位，将干涉图中的干涉相位数据消掉，只保存显示地形变形数据的干涉图图像。基于两轨法的工作流程，可递推得到三轨法与四轨法的工作原理。

2 D-InSAR技术在煤矿地面沉降监测中的应用

2.1 实例项目说明

晋能集团安平煤业有限公司位于山西省朔州市山阴县马营乡马营村，矿区所在区域内地面相对平整，依村而建，交通运输通道交错。该矿区开采深度标高为140～200 m，年采煤量为5×106t。从2014年8月到2019年6月，各盘区的开采工作面，开采面挖掘进深总计94 571 m，煤炭开采量1.836 7×107t。在矿井开采过程中，不仅需要时刻监测煤炭开采、运输的安全问题，还需保证矿区周边区域地质和环境的变化情况。近年来，通过对该煤矿周边农村生活区的监测，发现原先的大片农田慢慢变少，土地和道路出现沉降和裂口，个别村户的房屋也出现了裂缝和倒塌等情况。上述现象极大地危害了周边居民的生活状态和生命安全，所以煤矿对于地面沉降或者地质情况的监测是极其必要的。

利用 D-InSAR技术对该矿区进行地面沉降监测，同步对矿区整体地貌和开采点分布进行三维建模，分别得到矿区总体的三维数据信息、ALOS PALSAR图像信息。经过计算研究，发现该矿区每采煤5000 t地面沉降0.4 hm2，同时观测到盘区的均相干系数为0.69。图1为盘区差分干涉图像，在差分干涉图图1（c）的中间位置可发现存在3条带有颜色且呈周期性变化的条纹，大致可推断盘区的地面沉降最大落差为24 cm。从图1（f）中可观察到地面沉降整体呈均匀性排布，中间基本无间断点，从这可推断出ALOS PALSAR干涉对图像会对D-InSAR技术在实践过程的应用提供促进作用。在建立矿区外部数据信息时，DEM数据采用1:51 000开展坐标变换，可以选用WGS_84坐标代替太原70坐标，对地面的分辨率设置为30 m，高程精度定义为5 m，具体数据参照表1。

图1 D-InSAR技术得到的各阶段沉降变化图

表1 ALOS PALSAR影像参数

2.2 测试数据处理

首先在计算机中针对雷达获取的盘区图像，挑选某一点为M点，对该点进行地面沉降监测研究，统一对DEM数据信息和干涉对（30 m的分辨率）做差分干涉处理，然后针对干涉处理后的DEM数据信息以及辅图像信息和主图像信息作配对识别，配对后对其进行滤波衰减，从而输出提升后的差分干涉图，进一步利用地理编码法和相位转换法获取到该煤矿的DEM高程等值数据图像如图1（a）。

2.3 测试数据分析

对上述数据进行编码整理后获得此矿区在2019年7月10日到7月17日时间段内的地面沉降数据信息，包括沉降区域面积、地面平均沉降量、沉降区域几何形状以及沉降区域分布图（如表2所示）。根据图1和表2可以观察到，盘区的地面沉降几何形状表现为扇形塌陷，从整体来看，沉降区域排布较为居中且均匀对称，只是边际区域的离散点有些分散。总的地面沉降面积为1.5×104m2，最大沉降量为24 cm。

表2 地面沉降量统计表

3 结语

通过上述实例数据分析，可以看到D-InSAR技术在实际煤矿开采安全监测工况下的重要性，该技术可以第一时间监测到煤矿地面沉降问题以及其他地质形变情况，同时还兼具预警作用，将潜在隐患快速找出，指导快速做出应对措施，将事故扼杀在摇篮中。